小麦是世界上种植最广泛的作物，主要生长在干旱多雨的环境中。在大多数小麦产区，干旱胁迫是限制产量的主要因素。由于根系在水分吸收中的重要作用，因此根系对水分胁迫的响应是增强小麦适应性的重要组成部分。故提高小麦抗旱适应的一个重要方面是优化根系结构。然而，少有研究报道在水分胁迫下调控根系特征的小麦基因，从而阻碍了科学家们精确地对小麦根部性状进行改良。
近期，内布拉斯加大学林肯分校的Harkamal Walia课题组在著名的植物科学期刊《Plant Biotechnology Journal》上发表了题为“The LATERAL ROOT DENSITY gene regulates root growth during water stress in wheat”的研究论文，发现侧根密度(LRD)基因在提高小麦对水分胁迫的适应性和改变产量成分方面具有潜在的作用。
本文中，作者为了寻找新的遗传资源提高小麦的适应性，研究了一个小麦易位系，该易位系的染色体片段来自于小麦的野生亲本Agropyron elongatum，与普通小麦不同的是，它能在有限的水分条件下维持根系生长。通过研究根系转录组数据，作者发现在水分胁迫下，
KNAT3（拟南芥）小麦同源基因——侧根密度(LRD)基因转录水平的降低能够维持小麦根系生长的能力。根据图1所示，KNAT3小麦同源基因LRD，在水分胁迫下负调控侧根生长。 图1. KNAT3小麦同源基因LRD，负调控侧根生长。WW：水分充足 LW：水分缺乏
同时，本文描述了普通小麦LRD等位基因在水分胁迫下上调，而Agropyron LRD等位基因却在同样条件下上调。另一方面，在小麦RNAi转基因植物中，抑制LRD的表达可以使根系在水分胁迫下保持生长，进一步验证了LRD基因和水分胁迫下根系的生长具有负调控的关系。
图2. GA在P76和TL中的差异调节
据图2所示，作者发现外源赤霉素（GA）能够促进侧根生长，此外为了测试LRD等位基因的特异性调节，作者在水分胁迫下，对TL和P76进行了qRT-PCR（图2b）。与正常小麦等位基因（LRDTa）上调相反，LRDAg等位基因响应TL中的水分胁迫而下调（图2b）。因为TL仅包含Agropyron等位基因，所以在水分胁迫条件下，TL中的侧根响应与LRD转录降低有关。此外，作者也研究了在适宜生长条件下，抑制LRD对小麦的籽粒大小和数量具有正向的多效性影响。
总的来说，本文研究结果表明，LRD在提高小麦对水分胁迫的适应性和改变产量成分方面具有潜在的作用。同时，作者认为LRD可能是小麦中发现的第一个在水分胁迫下调节根系结构，并在适宜条件下提高多种产量成分的基因。这为未来培育具有适合特定环境的根系结构的小麦品种做出了贡献。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13355
閱讀更多 小麥研究者 的文章
